Биопленки: Микробные сообщества и механизмы формирования.

Биоплёнки: сообщества микроорганизмов на поверхностях. Структура, образование, отличие от планктонных клеток, роль в медицине и промышленности.

20 мин чтения

100%

Источник: Biofilm — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Агрегация бактерий или клеток на поверхности

художественный фильм, основанный на биографических фактах

Биофильм – это синтрофическое сообщество микроорганизмов, в котором клетки прикрепляются друг к другу и часто также к поверхности. Благодаря своей трехмерной структуре и представлению собой общинного образа жизни микроорганизмов, биофильмы метафорически описывают как «города для микробов». Биофильмы могут формироваться на живых (биотических) или неживых (абиотических) поверхностях и часто встречаются в естественных, промышленных и больничных условиях. Они могут составлять часть микробиома или являться им полностью. Микробные клетки, растущие в биофильме, физиологически отличаются от планктонных клеток того же организма, которые, напротив, представляют собой отдельные клетки, свободно плавающие или перемещающиеся в жидкой среде. Биофильмы могут образовываться на зубах большинства животных в виде зубного налета, вызывая кариес и заболевания десен. Микробы формируют биофильм в ответ на различные факторы, включая распознавание клетками специфических или неспецифических участков прикрепления на поверхности, питательные сигналы или, в некоторых случаях, воздействие на планктонные клетки субингибирующих концентраций антибиотиков. Клетка, переходящая в режим роста биофильма, претерпевает фенотипический сдвиг в поведении, при котором происходит дифференциальная регуляция большого количества генов. Биофильм также можно рассматривать как гидрогель – сложный полимер, содержащий в воде во много раз больше своего сухого веса. Биофильмы – это не просто слои бактериальной слизи, а биологические системы, в которых бактерии организуются в скоординированное функциональное сообщество. Биофильмы могут прикрепляться к поверхности, такой как зуб или камень, и состоять из одного вида или разнообразной группы микроорганизмов. Подпопуляции клеток внутри биофильма дифференцируются для выполнения различных функций, таких как подвижность, производство матрикса и спорообразование, поддерживая общий успех биофильма. Бактерии в биофильме могут обмениваться питательными веществами и защищены от вредных факторов окружающей среды, таких как высыхание, антибиотики и иммунная система организма-хозяина. Обычно формирование биофильма начинается, когда свободно плавающая планктонная бактерия прикрепляется к поверхности.

A biofilm is a syntrophic community of microorganisms in which cells stick to each other and often also to a surface. Because they have a three dimensional structure and represent a community lifestyle for microorganisms, they have been metaphorically described as "cities for microbes". Biofilms may form on living (biotic) or non living (abiotic) surfaces and can be common in natural, industrial, and hospital settings. They may constitute a microbiome or be a portion of it. The microbial cells growing in a biofilm are physiologically distinct from planktonic cells of the same organism, which, by contrast, are single cells that may float or swim in a liquid medium. Biofilms can form on the teeth of most animals as dental plaque, where they may cause tooth decay and gum disease. Microbes form a biofilm in response to a number of different factors, which may include cellular recognition of specific or non specific attachment sites on a surface, nutritional cues, or in some cases, by exposure of planktonic cells to sub inhibitory concentrations of antibiotics. A cell that switches to the biofilm mode of growth undergoes a phenotypic shift in behavior in which large suites of genes are differentially regulated. A biofilm may also be considered a hydrogel, which is a complex polymer that contains many times its dry weight in water. Biofilms are not just bacterial slime layers but biological systems; the bacteria organize themselves into a coordinated functional community. Biofilms can attach to a surface such as a tooth or rock, and may include a single species or a diverse group of microorganisms. Subpopulations of cells within the biofilm differentiate to perform various activities for motility, matrix production, and sporulation, supporting the overall success of the biofilm. The biofilm bacteria can share nutrients and are sheltered from harmful factors in the environment, such as desiccation, antibiotics, and a host body's immune system. A biofilm usually begins to form when a free swimming, planktonic bacterium attaches to a surface.

Происхождение биопленок

Считается, что биофильмы возникли на первобытной Земле как защитный механизм для прокариотов, поскольку условия в то время были слишком суровыми для их выживания. Они обнаруживаются в самых ранних ископаемых записях Земли (около 3,25 миллиарда лет назад) как у Архей, так и у Бактерий, и обычно защищают прокариотические клетки, обеспечивая им гомеостаз и способствуя развитию сложных взаимодействий между клетками в биофильме. Если колонизирующие клетки не сразу отделяются от поверхности, они могут прочно закрепиться, используя клеточные адгезионные структуры, такие как пили. Уникальная группа архей, обитающих в бескислородных грунтовых водах, имеет подобные структуры, называемые хами. Каждый гамус представляет собой длинную трубку с тремя крючками, которые используются для прикрепления друг к другу или к поверхности, что позволяет сообществу развиваться. Гипертермофильная архея Pyrobaculum calidifontis производит пучковые пили, гомологичные бактериальным филаментам TasA – основному компоненту внеклеточного матрикса в бактериальных биофильмах, который способствует стабильности биофильма. Гомологи TasA кодируются многими другими археями, что указывает на механистическое сходство и эволюционную связь между бактериальными и археальными биофильмами. Гидрофобность также может влиять на способность бактерий образовывать биофильмы. Бактерии с повышенной гидрофобностью испытывают меньшее отталкивание от субстрата. Некоторые виды бактерий не могут самостоятельно успешно прикрепляться к поверхности из-за ограниченной подвижности, но вместо этого способны закрепляться в матрице или непосредственно к другим, более ранним колонистам. Неподвижные бактерии хуже распознают поверхности и агрегируют по сравнению с подвижными бактериями. Помимо полисахаридов, эти матрицы могут содержать вещества из окружающей среды, включая, но не ограничиваясь, минералы, частицы почвы и компоненты крови, такие как эритроциты и фибрин, или быть устойчивыми к антибиотикам. Показано, что межклеточная коммуникация, или кворум-сенсинг, играет роль в образовании биофильма у ряда видов бактерий.

Biofilms are thought to have arisen during primitive Earth as a defense mechanism for prokaryotes, as the conditions at that time were too harsh for their survival. They can be found very early in Earth's fossil records (about 3.25 billion years ago) as both Archaea and Bacteria, and commonly protect prokaryotic cells by providing them with homeostasis, encouraging the development of complex interactions between the cells in the biofilm. If the colonists are not immediately separated from the surface, they can anchor themselves more permanently using cell adhesion structures such as pili. A unique group of Archaea that inhabit anoxic groundwater have similar structures called hami. Each hamus is a long tube with three hook attachments that are used to attach to each other or to a surface, enabling a community to develop. Hyperthermophilic archaeon Pyrobaculum calidifontis produce bundling pili which are homologous to the bacterial TasA filaments, a major component of the extracellular matrix in bacterial biofilms, which contribute to biofilm stability. TasA homologs are encoded by many other archaea, suggesting mechanistic similarities and evolutionary connection between bacterial and archaeal biofilms.]] Hydrophobicity can also affect the ability of bacteria to form biofilms. Bacteria with increased hydrophobicity have reduced repulsion between the substratum and the bacterium. Some bacteria species are not able to attach to a surface on their own successfully due to their limited motility but are instead able to anchor themselves to the matrix or directly to other, earlier bacteria colonists. Non motile bacteria cannot recognize surfaces or aggregate together as easily as motile bacteria. In addition to the polysaccharides, these matrices may also contain material from the surrounding environment, including but not limited to minerals, soil particles, and blood components, such as erythrocytes and fibrin. or resistant to antibiotics. Cell cell communication or quorum sensing has been shown to be involved in the formation of biofilm in several bacterial species.

Разработка

Биопленки являются продуктом процесса развития микроорганизмов. Этот процесс обобщен в пяти основных стадиях развития биофильма, как показано на диаграмме ниже:

[[File:biofilm. jpg|thumb|upright=1.8|left| center|Пять стадий развития биофильма]] Ферменты, разрушающие матрицу биофильма, могут быть полезны в качестве антибиофильмовых агентов. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что мессенджер жирных кислот, цис-2-деценовая кислота, способен вызывать дисперсию и ингибировать рост колоний биофильма. Это соединение, выделяемое Pseudomonas aeruginosa, индуцирует образование циклогетероморфных клеток у нескольких видов бактерий и дрожжей Candida albicans. Также было показано, что оксид азота вызывает диспергирование биопленок нескольких видов бактерий при субтоксичных концентрациях. Оксид азота обладает потенциалом в качестве средства лечения пациентов с хроническими инфекциями, вызванными биофильмами. Долгое время считалось, что клетки, высвобождающиеся из биофильмов, немедленно переходят в планктонную фазу роста. Однако исследования показали, что физиология диспергированных клеток из биофильмов Pseudomonas aeruginosa значительно отличается от физиологии планктонных и клеток биофильма. Таким образом, процесс диспергирования представляет собой уникальную стадию в переходе от биофильма к планктоническому образу жизни у бактерий. Диспергированные клетки проявляют высокую вирулентность по отношению к макрофагам и Caenorhabditis elegans, но при этом более чувствительны к дефициту железа, чем планктонные клетки. Индукция дисперсии биофильма заставляет бактерии активировать гены дисперсии для активного высвобождения из биофильма в виде отдельных клеток с постоянной скоростью, однако они не способны повторно колонизировать свежие поверхности. В отличие от этого, дезагрегация биофильма посредством деградации экзополисахарида биофильма приводит к высвобождению неподвижных агрегатов с высокой начальной скоростью, что позволяет бактериям повторно колонизировать свежие поверхности и эффективно вызывать инфекции у хозяев. Следовательно, дисперсия биофильма – более сложный процесс, чем считалось ранее, и различные поведенческие особенности бактериальных популяций после выхода из биофильма могут быть ключевыми для выживания бактериальных видов и распространения заболеваний. [[File:biofilm. jpg|thumb|upright=2.5|center|]]

Свойства

Биопленки обычно образуются на твердых поверхностях, погруженных в водный раствор или контактирующих с ним, хотя они могут формировать плавающие пленки на поверхности жидкостей, а также на поверхности листьев, особенно в условиях высокой влажности. При достаточном количестве питательных веществ для роста, биофильм быстро разрастается до макроскопических размеров (видимых невооруженным глазом). Биопленки могут содержать множество различных типов микроорганизмов, таких как бактерии, археи, простейшие, грибы и водоросли; каждая группа выполняет специализированные метаболические функции. Однако некоторые организмы способны формировать монокультурные пленки при определенных условиях. Социальная организация (кооперация/конкуренция) внутри биофильма сильно зависит от видового состава.

Внеклеточная матрица

Скенирующая электронная микрография смешанной биоплёнки, демонстрирующая в деталях пространственно гетерогенное расположение бактериальных клеток и внеклеточных полимерных веществ. Матрица EPS состоит из экзополисахаридов, белков и нуклеиновых кислот. Большая часть EPS более или менее сильно гидратирована, однако гидрофобные EPS также встречаются; одним из примеров является целлюлоза, производимая рядом микроорганизмов. Эта матрица окружает клетки и облегчает общение между ними посредством биохимических сигналов, а также обмена генами. Матрица EPS также захватывает внеклеточные ферменты и удерживает их в непосредственной близости от клеток. Таким образом, матрица представляет собой внешнюю систему пищеварения и позволяет формировать стабильные синергетические микроконсорциумы различных видов. Было обнаружено, что некоторые биоплёнки содержат водные каналы, которые помогают распределять питательные вещества и сигнальные молекулы. Эта матрица достаточно прочна, чтобы при определенных условиях биоплёнки могли окаменеть (образовывать строматолиты). Бактерии, живущие в биоплёнке, обычно обладают значительно отличающимися свойствами от свободно плавающих бактерий того же вида, поскольку плотная и защищённая среда плёнки позволяет им сотрудничать и взаимодействовать различными способами. Одним из преимуществ этой среды является повышенная устойчивость к моющим средствам и антибиотикам, поскольку плотный внеклеточный матрикс и внешний слой клеток защищают внутреннюю часть сообщества. В некоторых случаях устойчивость к антибиотикам может быть увеличена до 5000 раз и может приводить к более стабильной структуре биоплёнки. Внеклеточная ДНК является основным структурным компонентом многих различных микробных биоплёнок. Ферментативная деградация внеклеточной ДНК может ослабить структуру биоплёнки и высвободить микробные клетки с поверхности. Однако биоплёнки не всегда менее восприимчивы к антибиотикам. Например, биоплёночная форма Pseudomonas aeruginosa не обладает большей устойчивостью к противомикробным препаратам, чем планктонные клетки стационарной фазы, хотя при сравнении биоплёнки с планктонными клетками логарифмической фазы, биоплёнка проявляет большую устойчивость к противомикробным препаратам. Эта устойчивость к антибиотикам как в стационарных клетках, так и в биоплёнках может быть обусловлена наличием персистирующих клеток.

thumb|Scanning electron micrograph of mixed culture biofilm, demonstrating in detail a spatially heterogeneous arrangement of bacterial cells and extracellular polymeric substances. The EPS matrix consists of exopolysaccharides, proteins and nucleic acids. A large proportion of the EPS is more or less strongly hydrated, however, hydrophobic EPS also occur; one example is cellulose which is produced by a range of microorganisms. This matrix encases the cells within it and facilitates communication among them through biochemical signals as well as gene exchange. The EPS matrix also traps extracellular enzymes and keeps them in close proximity to the cells. Thus, the matrix represents an external digestion system and allows for stable synergistic microconsortia of different species. Some biofilms have been found to contain water channels that help distribute nutrients and signalling molecules. This matrix is strong enough that under certain conditions, biofilms can become fossilized (stromatolites). Bacteria living in a biofilm usually have significantly different properties from free floating bacteria of the same species, as the dense and protected environment of the film allows them to cooperate and interact in various ways. One benefit of this environment is increased resistance to detergents and antibiotics, as the dense extracellular matrix and the outer layer of cells protect the interior of the community. In some cases antibiotic resistance can be increased up to 5,000 times. and can leads to a more stable biofilm structure. Extracellular DNA is a major structural component of many different microbial biofilms. Enzymatic degradation of extracellular DNA can weaken the biofilm structure and release microbial cells from the surface. However, biofilms are not always less susceptible to antibiotics. For instance, the biofilm form of Pseudomonas aeruginosa has no greater resistance to antimicrobials than do stationary phase planktonic cells, although when the biofilm is compared to logarithmic phase planktonic cells, the biofilm does have greater resistance to antimicrobials. This resistance to antibiotics in both stationary phase cells and biofilms may be due to the presence of persister cells.

Обитания

Биопленки из бактерий окрашивают горячие источники в Национальном парке Йеллоустоун. Самая длинная приподнятая область коврика составляет около полуметра. Термофильные бактерии в оттоке горячего источника Микки Хот Спрингс, штат Орегон, имеют толщину около 20 мм. Биопленки повсеместно распространены в органической жизни. Почти у каждого вида микроорганизмов есть механизмы, позволяющие им прикрепляться к поверхностям и друг к другу. Биопленки формируются практически на любой поверхности, не отторгающей клетки, в нестерильной водной или влажной среде. Биопленки могут расти в самых экстремальных условиях: например, в очень горячих, соленых водах горячих источников, от сильно кислых до сильно щелочных, и даже в замерзших ледниках. Биопленки можно найти на камнях и гальке на дне большинства ручьев или рек и часто образуются на поверхности стоячих водоемов. Биопленки являются важными компонентами пищевых цепей в реках и ручьях и служат пищей для водных беспозвоночных, которыми питаются многие рыбы. Биопленки встречаются на поверхности и внутри растений. Они могут способствовать развитию болезней сельскохозяйственных культур или, как в случае азотфиксирующих ризобий на корневых клубеньках, существовать в симбиозе с растением. Примеры болезней сельскохозяйственных культур, связанных с биопленками, включают цитрусовую рак, болезнь Пирса винограда и бактериальную пятнистость растений, таких как перец и помидоры.

Фильтры для проникновения

Перколяционные фильтры в очистных сооружениях эффективно удаляют загрязняющие вещества из осветленных сточных вод. Они работают, пропуская жидкость через слой твердого материала с очень большой площадью поверхности. На поверхности этого материала формируется сложная биопленка, которая поглощает, адсорбирует и метаболизирует загрязняющие вещества. Биопленка быстро разрастается, и когда ее толщина становится критической, она отслаивается и замещается новой пленкой. Отслоившаяся пленка осаждается из потока жидкости, обеспечивая получение высокоочищенных стоков.

Медленный песочный фильтр

Медленные песчаные фильтры используются для очистки воды, в частности для обработки исходной воды с целью получения питьевой воды. Они работают за счет формирования биопленки, называемой гипогеальным слоем или Schmutzdecke, в верхних нескольких миллиметрах тонкого слоя песка. Schmutzdecke формируется в первые 10–20 дней эксплуатации и состоит из бактерий, грибов, простейших, коловраток и различных личинок водных насекомых. С возрастом эпигеальной биопленки в ней, как правило, развивается больше водорослей и могут появляться более крупные водные организмы, включая некоторых моховочковых, улиток и кольчатых червей. Поверхностная биопленка является слоем, обеспечивающим эффективную очистку при подготовке питьевой воды, а нижележащий песок служит поддерживающей средой для этого слоя биологической очистки. При прохождении воды через гипогеальный слой частицы посторонних веществ задерживаются в муцилагиновой матрице, а растворимый органический материал адсорбируется. Бактерии, грибы и простейшие метаболизируют загрязняющие вещества. Вода, получаемая из исправно работающего медленного песчаного фильтра, отличается превосходным качеством, с уменьшением количества бактериальных клеток на 90–99%.

Ризосфера

Полезные микробы растений можно классифицировать как ризобактерии, стимулирующие рост растений. Эти стимуляторы роста колонизируют корни растений и обеспечивают широкий спектр полезных функций для хозяина, включая фиксацию азота, подавление патогенов, противогрибковые свойства и разложение органических веществ. Одной из этих функций является защита от патогенных бактерий и грибков, обитающих в почве, посредством индуцированной системной устойчивости (ИСР) или индуцированных системных реакций, вызванных патогенными микроорганизмами (индуцированная патогенами системная приобретенная устойчивость). Растительные эксудаты служат химическими сигналами для колонизации бактериями, специфичными к хозяину. Этапы колонизации ризобактерий включают привлечение, распознавание, адгезию, колонизацию и рост. Биопленки в ризосфере часто приводят к развитию устойчивости, индуцированной патогенами или растением. Молекулярные свойства на поверхности бактерии вызывают иммунный ответ у растения-хозяина. Также было показано, что определенные метаболиты железа, производимые Pseudomonas, способны вызывать индуцированный системный ответ. Растения увеличивают выработку лигнина, укрепляя клеточные стенки и затрудняя проникновение патогенов в клетки, а также прекращая поступление питательных веществ к уже зараженным клеткам, эффективно останавливая вторжение. Индуцированная системная устойчивость и индуцированная патогенами системная приобретенная устойчивость являются потенциальными функциями биопленок в ризосфере и должны учитываться при внедрении в современные сельскохозяйственные практики благодаря их способности подавлять болезни без использования опасных химикатов.

Кишечник млекопитающих

Исследования 2003 года обнаружили, что иммунная система способствует развитию биопленок в толстом кишечнике. Это подтверждается главным образом тем, что две наиболее обильно производимые иммунной системой молекулы также поддерживают образование биопленок и ассоциированы с биопленками, формирующимися в кишечнике. Это особенно важно, поскольку в аппендиксе содержится значительное количество этих бактериальных биопленок. Это открытие помогает уточнить возможную функцию аппендикса и предположение о том, что аппендикс может способствовать повторному заселению кишечника полезной микрофлорой. Однако изменения или нарушения в состоянии биопленок в кишечнике связаны с такими заболеваниями, как воспалительные заболевания кишечника и колоректальный рак.

Окружающая среда

В окружающей среде человека биопленки могут очень легко образовываться в душе, поскольку там создаются влажные и теплые условия, способствующие их развитию. Они могут формироваться внутри водопроводных и канализационных труб, вызывая засоры и коррозию. На полах и рабочих поверхностях они затрудняют санитарную обработку в зонах приготовления пищи. В почве они могут приводить к биозаглушению. В системах охлаждения или отопления воды они снижают теплопередачу. Биопленки в морских инженерных системах, таких как трубопроводы в нефтегазовой промышленности на шельфе, могут вызывать серьезные проблемы коррозии. Коррозия в основном обусловлена абиотическими факторами, однако не менее 20% коррозии вызывается микроорганизмами, прикрепленными к металлической поверхности (то есть микробиологически индуцированной коррозией).

Загрязнение судна

Бактериальная адгезия к корпусам судов является основой для обрастания морских судов. После образования бактериальной пленки другим морским организмам, таким как ракушки, становится легче прикрепляться. Такое обрастание может снизить максимальную скорость судна до 20%, увеличивая продолжительность рейсов и расход топлива. Время, затрачиваемое на докование для переоборудования и перекраски, снижает производительность судового парка, а срок службы судов также сокращается из-за коррозии и механического удаления (очистки) морских организмов с корпусов судов.

Строматолиты

Строматолиты — слоистые нарастающие структуры, формирующиеся в мелководье путем захвата, связывания и цементирования осадочных зерен микробными биопленками, особенно цианобактериями. Строматолиты содержат одни из древнейших свидетельств жизни на Земле и продолжают формироваться в настоящее время.

Таксономическое разнообразие

Многие различные бактерии образуют биопленки, включая грамположительные (например, Bacillus spp., Listeria monocytogenes, Staphylococcus spp. и молочнокислые бактерии, включая Lactobacillus plantarum и Lactococcus lactis) и грамотрицательные виды (например, Escherichia coli или Pseudomonas aeruginosa). Цианобактерии также образуют биопленки в водных средах. Биопленки образуются бактериями, колонизирующими растения, например, Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens и родственные псевдомонады, которые являются распространенными бактериями, ассоциированными с растениями и встречающимися на листьях, корнях и в почве, при этом большинство их природных изолятов образуют биопленки. Несколько азотфиксирующих симбионтов бобовых, таких как Rhizobium leguminosarum и Sinorhizobium meliloti, образуют биопленки на корнях бобовых и других инертных поверхностях, а также микроводоросли. Среди микроводорослей одним из основных предшественников биопленок являются диатомовые водоросли, колонизирующие как пресноводные, так и морские среды по всему миру. О других видах в биопленках, связанных с заболеваниями, и биопленках, возникающих у эукариот, – см. ниже.

Инфекционные болезни

Биофильмы были обнаружены при широком спектре микробных инфекций в организме, по некоторым оценкам, в 80% всех инфекций. Инфекционные процессы, с участием которых связаны биофильмы, включают распространенные проблемы, такие как бактериальный вагиноз, инфекции мочевыводящих путей, катетерные инфекции, отиты, образование зубного налета, гингивит, покрытие контактных линз, а также менее распространенные, но более опасные процессы, такие как эндокардит, инфекции при муковисцидозе и инфекции постоянных имплантируемых устройств, таких как протезы суставов, сердечные клапаны и межпозвоночные диски. Первое визуальное свидетельство биофильма было зарегистрировано после операции на позвоночнике. Было установлено, что в отсутствие клинических признаков инфекции бактерии могут формировать биофильм вокруг имплантата, и этот биофильм может оставаться невыявленным с помощью современных диагностических методов, включая смывы. Имплантационные биофильмы часто встречаются при "асептическом" псевдоартрозе. Кроме того, было отмечено, что бактериальные биофильмы могут замедлять заживление кожных ран и снижать эффективность местных антибактериальных средств при лечении или заживлении инфицированных кожных ран. Разнообразие клеток *P. aeruginosa* в биофильме, предположительно, затрудняет лечение инфицированных легких у пациентов с муковисцидозом. Показано, что биофильмы присутствуют в удаленной ткани у 80% пациентов, перенесших хирургическое вмешательство по поводу хронического синусита. У пациентов с биофильмами отмечалось отсутствие ресничек и бокаловидных клеток, в отличие от контрольной группы без биофильмов, у которых наблюдалась нормальная морфология ресничек и бокаловидных клеток. Биофильмы также были обнаружены в образцах двух из десяти здоровых добровольцев контрольной группы. Виды бактерий, выделенные в ходе интраоперационных посевов, не соответствовали видам бактерий в биофильме на тканях соответствующего пациента. Иными словами, посевы были отрицательными, несмотря на присутствие бактерий. Разрабатываются новые методы окрашивания для дифференциации бактериальных клеток, растущих в живых организмах, например, от тканей с аллергическим воспалением. Исследования показали, что субтерапевтические уровни β-лактамных антибиотиков индуцируют образование биофильма у *Staphylococcus aureus*. Этот субтерапевтический уровень антибиотика может быть результатом использования антибиотиков в качестве стимуляторов роста в сельском хозяйстве или в ходе обычной антибиотикотерапии. Образование биофильма, индуцированное низкими концентрациями метициллина, было подавлено DNase, что позволяет предположить, что субтерапевтические уровни антибиотика также индуцируют высвобождение внеклеточной ДНК. Более того, с эволюционной точки зрения, создание "трагедии общин" у патогенных микробов может открыть новые терапевтические возможности для лечения хронических инфекций, вызванных биофильмами, посредством генетически модифицированных инвазивных "паразитов", способных проникать в популяции "кооператоров" патогенных бактерий, приводя к вымиранию популяций кооператоров или к полному вымиранию популяции, состоящей из "кооператоров и паразитов".

Biofilms have been found to be involved in a wide variety of microbial infections in the body, by one estimate 80% of all infections. Infectious processes in which biofilms have been implicated include common problems such as bacterial vaginosis, urinary tract infections, catheter infections, middle ear infections, formation of dental plaque, gingivitis, coating contact lenses, and less common but more lethal processes such as endocarditis, infections in cystic fibrosis, and infections of permanent indwelling devices such as joint prostheses, heart valves, and intervertebral disc. The first visual evidence of a biofilm was recorded after spine surgery. It was found that in the absence of clinical presentation of infection, impregnated bacteria could form a biofilm around an implant, and this biofilm can remain undetected via contemporary diagnostic methods, including swabbing. Implant biofilm is frequently present in "aseptic" pseudarthrosis cases. Furthermore, it has been noted that bacterial biofilms may impair cutaneous wound healing and reduce topical antibacterial efficiency in healing or treating infected skin wounds. The diversity of P. aeruginosa cells within a biofilm is thought to make it harder to treat the infected lungs of people with cystic fibrosis. It has been shown that biofilms are present on the removed tissue of 80% of patients undergoing surgery for chronic sinusitis. The patients with biofilms were shown to have been denuded of cilia and goblet cells, unlike the controls without biofilms who had normal cilia and goblet cell morphology. Biofilms were also found on samples from two of 10 healthy controls mentioned. The species of bacteria from intraoperative cultures did not correspond to the bacteria species in the biofilm on the respective patient's tissue. In other words, the cultures were negative though the bacteria were present. New staining techniques are being developed to differentiate bacterial cells growing in living animals, e. g. from tissues with allergy inflammations. Research has shown that sub therapeutic levels of β lactam antibiotics induce biofilm formation in Staphylococcus aureus. This sub therapeutic level of antibiotic may result from the use of antibiotics as growth promoters in agriculture, or during the normal course of antibiotic therapy. The biofilm formation induced by low level methicillin was inhibited by DNase, suggesting that the sub therapeutic levels of antibiotic also induce extracellular DNA release. Moreover, from an evolutionary point of view, the creation of the tragedy of the commons in pathogenic microbes may provide advanced therapeutic ways for chronic infections caused by biofilms via genetically engineered invasive cheaters who can invade wild types 'cooperators' of pathogenic bacteria until cooperator populations go to extinction or overall population 'cooperators and cheaters ' go to extinction.

Pseudomonas aeruginosa (псевдомонанс аэругиноза)

P. aeruginosa является широко используемым модельным организмом для изучения биопленок, поскольку участвует в различных типах хронических инфекций, связанных с биопленками. К таким инфекциям относятся хронические раны, хронический средний отит, хронический простатит и хронические инфекции легких у пациентов с муковисцидозом (КФ). Примерно у 80% пациентов с КФ наблюдается хроническая инфекция легких, вызванная преимущественно P. aeruginosa, растущей в биофильмах, не прикрепленных к поверхности и окруженных полиморфноядерными лейкоцитами (ПМН). Инфекция сохраняется, несмотря на интенсивную антибиотикотерапию, и является частой причиной смерти пациентов с КФ из-за постоянного воспалительного повреждения легких. Образование биопленок P. aeruginosa, а также других бактерий, обнаруживается в 90% случаев хронических инфекций ран, что приводит к плохому заживлению и высоким затратам на лечение, оцениваемым более чем в 25 миллиардов долларов США ежегодно в Соединенных Штатах. Для минимизации инфекции, вызванной P. aeruginosa, эпителиальные клетки хозяина секретируют антимикробные пептиды, такие как лактоферрин, для предотвращения формирования биопленок.

Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae является основной причиной внебольничной пневмонии и менингита у детей и пожилых людей, а также сепсиса у лиц, инфицированных ВИЧ. При росте S. pneumoniae в биопленках экспрессируются гены, реагирующие на окислительный стресс и индуцирующие компетентность. Формирование биопленки зависит от пептида, стимулирующего компетентность (CSP). CSP также функционирует как пептид, определяющий кворум. Он не только индуцирует образование биопленки, но и повышает вирулентность при пневмонии и менингите. Предполагается, что развитие компетентности и формирование биопленки – это адаптация S. pneumoniae для выживания в условиях иммунной защиты хозяина. Антимикробный пептид цекропин А способен уничтожать планктонные и сессильные клетки уропатогенной кишечной палочки, формирующие биопленки, как самостоятельно, так и в сочетании с антибиотиком налидиксовой кислотой, синергически устраняя инфекцию in vivo (у насекомого-хозяина Galleria mellonella) без нецелевой цитотоксичности. Многокомпонентный механизм действия включает в себя повышение проницаемости внешней мембраны, за которым следует разрушение биопленки, вызванное ингибированием активности эффлюксных насосов и взаимодействием с вне- и внутриклеточными нуклеиновыми кислотами.

Escherichia coli (Эшерихия коли)

Биопленки Escherichia coli ответственны за многие кишечные инфекционные заболевания. Внекишечная группа Escherichia coli (ExPEC) является доминирующей бактериальной группой, поражающей мочевую систему, что приводит к инфекциям мочевыводящих путей. Образование биофильма этими патогенными E. coli трудно устранить из-за сложности его агрегационной структуры, и оно вносит значительный вклад в развитие тяжелых медицинских осложнений, увеличение числа госпитализаций и стоимости лечения. Формирование биофильма E. coli является частой основной причиной инфекций мочевыводящих путей (ИМП) в стационарах, способствуя развитию инфекций, связанных с медицинскими устройствами. Инфекции мочевыводящих путей, связанные с катетерами (CAUTI), представляют собой наиболее распространенную внутрибольничную инфекцию, обусловленную образованием патогенного биофильма E. coli внутри катетеров.

Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк)

Патогенный стафилококк золотистый (Staphylococcus aureus) может поражать кожу и легкие, вызывая кожные инфекции и пневмонию. Более того, сеть биопленочных инфекций, создаваемая S. aureus, играет ключевую роль в предотвращении элиминации и уничтожения бактериальных клеток иммунными клетками, такими как макрофаги. Кроме того, образование биопленок бактериями, в том числе S. aureus, не только способствует развитию устойчивости к антибиотикам, но и формирует внутреннюю устойчивость к антимикробным пептидам (AMP), что препятствует подавлению возбудителя и обеспечивает его выживание.

В медицине

Предполагается, что около двух третей бактериальных инфекций у людей связаны с биофильмами. Инфекции, связанные с ростом биопленки, обычно трудно искоренить. Это в основном связано с тем, что зрелые биофильмы демонстрируют устойчивость к антимикробным препаратам и способность уклоняться от иммунного ответа. Одними из самых сложных в лечении инфекций являются те, которые связаны с использованием медицинских устройств. 60–70% инфекций, приобретенных в стационаре, связаны с имплантацией биомедицинского устройства. Внеклеточный матрикс биофильма считается одним из основных факторов, снижающих проникновение антибиотиков в структуру биофильма и способствующих развитию устойчивости к антибиотикам. Кроме того, было показано, что образ жизни в биофильме может влиять на развитие устойчивости к антибиотикам. Бактериофаготерапия способна разрушать биофильмы, образованные бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Было показано, что введение небольшого электрического тока в жидкость, окружающую биофильм, в сочетании с небольшими дозами антибиотиков, может снизить уровень устойчивости к антибиотикам до уровня, наблюдаемого у бактерий, не образующих биофильмы. Это явление называется биоэлектрическим эффектом. Применение небольшого постоянного тока само по себе может привести к отслоению биофильма от поверхности. Биопленки используются в микробных топливных элементах (МТЭ) для генерации электроэнергии из различных исходных материалов, включая сложные органические отходы и возобновляемую биомассу. Биопленки также имеют значение для повышения эффективности растворения металлов в биовыщелачивающей промышленности и агрегации загрязняющих веществ в виде микропластика для облегчения их удаления из окружающей среды.

Продовольственная промышленность

Биопленки стали серьезной проблемой в ряде пищевых отраслей из-за способности образовываться на растениях и в ходе промышленных процессов. Бактерии могут длительное время выживать в воде, животном навозе и почве, что приводит к образованию биопленок на растениях или на оборудовании для переработки. Накопление биопленок может влиять на теплообмен с поверхности, увеличивать коррозию поверхности и гидравлическое сопротивление. Это может приводить к потерям энергии в системе и снижению объемов выпускаемой продукции. Данная проблема также актуальна для продуктов, готовых к употреблению, поскольку перед потреблением они подвергаются ограниченной очистке. Значительное загрязнение сальмонеллами часто встречается в птицеперерабатывающей промышленности, поскольку около 50% штаммов сальмонелл способны образовывать биопленки на птицефабриках, а также на растительных и животных алкалоидах.

Эукариотические

Наряду с бактериями, биофильмы часто инициируются и формируются эукариотическими микроорганизмами. Биофильмы, создаваемые эукариотами, обычно заселены бактериями и другими эукариотами, однако именно эукариота культивирует поверхность и изначально секретирует внеклеточный полисахаридный матрикс (EPS). Известно, что как грибы, так и микроводоросли способны образовывать биофильмы подобным образом. Биофильмы грибкового происхождения играют важную роль в инфекциях человека и грибковой патогенности, поскольку грибковые инфекции проявляют большую устойчивость к противогрибковым препаратам. В окружающей среде грибковые биофильмы являются предметом непрерывных исследований. Одной из ключевых областей исследований является изучение грибковых биофильмов на растениях. Например, в почве установлено, что грибы, связанные с растениями, включая микоризу, разлагают органическое вещество и защищают растения от бактериальных патогенов. В водных средах биофильмы часто основываются диатомовыми водорослями. Точная функция этих биофильмов неизвестна, однако имеются данные о том, что EPS, производимый диатомовыми водорослями, помогает им переносить как низкие температуры, так и повышенную соленость. Эти эукариоты взаимодействуют с широким спектром других организмов в области, известной как фикосфера, но особенно важны бактерии, ассоциированные с диатомовыми водорослями, поскольку было показано, что диатомы выделяют EPS только при взаимодействии с определенными видами бактерий.

Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов – это латеральный перенос генетического материала между клеточными организмами. Он часто происходит у прокариот и реже у эукариот. У бактерий горизонтальный перенос генов может осуществляться посредством трансформации (поглощение свободно плавающей ДНК из окружающей среды), трансдукции (поглощение ДНК, опосредованное вирусом) или конъюгации (передача ДНК между пилями двух соседних бактерий). Недавние исследования также выявили другие механизмы, такие как передача мембранных везикул или агенты переноса генов. Биофильмы способствуют горизонтальному переносу генов различными способами. thumb|396x396px|Электронная микрофотография, демонстрирующая бактерии Escherichia coli, формирующие обширные биофильмы, используя сеть конъюгативных F-пили. Источник: Jonasz Patkowski. Показано, что бактериальная конъюгация ускоряет образование биофильма в неблагоприятных условиях благодаря прочным связям, установленным конъюгативными пилями. Эти связи часто способствуют межвидовому переносу из-за разнообразной гетерогенности многих биофильмов. Кроме того, биофильмы структурно ограничены полисахаридной матрицей, обеспечивающей необходимое близкое пространственное расположение для конъюгации. Трансформация также часто наблюдается в биофильмах. Бактериальный аутолиз является ключевым механизмом структурной регуляции биофильма, обеспечивающим обильный источник компетентной ДНК, готовой к трансформационному поглощению. Гены, кодирующие фимбрии III типа, обнаружены в pOLA52 (плазмиде Klebsiella pneumoniae), которые способствуют образованию конъюгативной пилусозависимой биофильма.